I. Introducción

La perforación de las rocas dentro del campo de las voladuras es la primera operación

que se realiza y tiene como finalidad abrir huecos, con la distribución y geometría adecuada

dentro de los macizos, donde alojar las cargas de explosivo y sus accesorios iniciadores.

La velocidad con que se penetra la roca (perforación) depende de muchos factores externos

(por ejemplo factores geológicos), tales como las propiedades físicas de la roca y la

resistencia a la compresión. Si bien es difícil determinar la velocidad de penetración, ésta

define un conjunto de parámetros de rendimiento de la operación minera. Existen dos

procedimientos para determinar la velocidad de penetración:

Realizar ensayos reales con rocas representativas y perforarlas. En función de los resultados

obtenidos, se determinara un conjunto de parámetros de diseño, como el tipo de bit o

tricono recomendado, el empuje requerido y la duración de los aceros de perforación.

Calcular la velocidad de penetración a partir de la resistencia a la compresión de la orca,

utilizando formulas empíricas que relacionan el avance del bit o tricono por cada

revolución

Una vez determinada la velocidad de penetración, es posible calcular la velocidad media de

perforación, en cuyo cálculo se incluyen los tiempos que el equipo no está trabajando y la

disponibilidad mecánica.

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II. Objetivos

Objetivo General

Calcular la velocidad de penetración (perforación).

Objetivos Específicos

Determinar las variables y los parámetros que entran a tallar en una perforación.Determinar el número de golpes que se necesita para perforar una cierta profundidad.Mostrar los tiempos que se utilizan para llevar a cabo la perforación.

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III. MARCO TEÓRICO 1. PERFORACION DE ROCAS

La perforación de las rocas dentro del campo de las voladuras es la primera operación que se realiza y tiene como finalidad abrir unos huecos, con la distribución y geometría adecuada dentro de los macizos, donde alojar a las cargas de explosivo y sus accesorios iniciadores.

Existen dos tipos de perforadoras: manuales y mecanizadas las cuales tiene su propio sistema de funcionamiento. El sistema más común es el sistema mecánico.

Los principales sistemas mecánicos de penetración de la roca son:1. Percusión2. Rotopercusión3. Rotación

Los dos grandes métodos mecánicos de perforación de rocas son los rotopercutivos y los rotativos.a. Métodos rotopercutivos

Son los más utilizados en casi todos los tipos de roca, tanto si el martillo se sitúa en cabeza como en el fondo del barreno. .b. Métodos rotativos

Se subdividen a su vez en dos grupos, según que la penetración se realice por trituración, empleando triconos, o por corte utilizando bocas especiales. El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas.

Atendiendo a la Resistencia a Compresión de las rocas y al diámetro de perforación, se pueden delimitar los campos de aplicación de los diferentes métodos tal como se refleja en la Fig1.

Figura 1. Campos de aplicación de los métodos de perforación en función de la resistencia de las rocas y diámetros de los barrenos

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1.1. Propiedades de las rocas que afectan a la perforación

La perforación de barrenos se realiza, casi en la totalidad de los casos, en masas rocosas, por lo que es interesante antes de iniciar una obra conocer los diferentes tipos de materiales que se presentan y sus propiedades básicas.

Estas características de las rocas dependen en gran medida de su origen. Los tres grandes grupos que existen son:

Rocas ígneas (volcánicas y plutónicas)

Rocas metamórficas

Rocas sedimentarias

Las principales propiedades físicas de las rocas que influyen en los mecanismos de penetración y consecuentemente en la elección del método de perforación son:

Dureza.Resistencia.Elasticidad.Plasticidad.Abrasividad.Textura.Estructura.Características de rotura.

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Figura 2. Resistencias a la compresión más frecuente de los diferentes tipos de rocas

Figura 3. Curvas de tensión-deformación de diferentes tipos de rocas.

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TABLA 1. PROPIEDADES DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ROCA SEGUN SU ORIGEN

Las propiedades estructurales de los macizos rocosos, tales como esquistosidad, planos de estratificación, juntas, diaclasas y fallas, así como el rumbo y el buzamiento de éstas afectan a la linealidad de los barrenos, a los rendimientos de perforación y a la estabilidad de las paredes de los taladros.

1.2. PERFORACION ROTOPERCUTIVA

El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero (pistón) que golpea a un útil que a su vez transmite la energía al fondo del barreno por medio de un elemento final (boca).

Los equipos rotopercutivos se clasifican en dos grandes grupos, según donde se encuentre colocado el martillo:

a. Martillo en cabeza. En estas perforadoras dos de las acciones básicas, rotación y percusión, se producen fuera del barreno, transmitiéndose a través de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforación. Los martillos pueden ser de accionamiento neumático o hidráulico.

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b. Martillo en fondo. La percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno. El accionamiento del pistón se lleva a cabo neumáticamente, mientras que la rotación puede ser neumática o hidráulica.

Según los campos de aplicación de estas perforadoras, cielo abierto o subterráneo, las gamas de diámetro más comunes son:

TABLA 2

1.2.1. Fundamentos de la perforación rotopercutiva

La perforación a rotopercusión se basa en la combinación de las siguientes acciones:

Percusión. Los impactos producidos por el golpeo del pistón originan unas ondas de choque que se transmiten a la boca a través del varillaje (en el martillo en cabeza) o directamente sobre ella (en el martillo en fondo).

Rotación. Con este movimiento se hace girar la boca para que los impactos se produzcan sobre la roca en distintas posiciones.

Empuje. Para mantener en contacto el útil de perforación con la roca se ejerce un empuje sobre la sarta de perforación.

Barrido. El fluido de barrido permite extraer el detrito del fondo del barreno.

Figura 4. Acciones básicas en la perforación rotopercutiva.

El proceso de formación de las indentaciones, con el que se consigue el avance en este sistema de perforación, se divide en cinco instantes, tal como se refleja en la Fig. 5.

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a) Aplastamiento de las rugosidades de la roca por contacto con el útil.b) Aparición de grietas radiales a partir de los puntos de concentración de tensiones y c) formación de una cuña en forma de V.d) Pulverización de la roca de la cuña por aplastamiento.e) Desgajamiento de fragmentos mayores en las zonas adyacentes a la cuña.f) Evacuación del detrito por el fluido de barrido.

Figura 5. Fases de formación de una indentación. (Hartman, 1959).

1.2.2. PERFORADORAS MARTILLO EN CABEZA

En estas perforadoras dos de las acciones básicas, rotación y percusión, se producen fuera del barreno, transmitiéndose a través de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforación.

Los martillos pueden ser de accionamiento: Neumático (aire comprimido) para diámetro menores a 150 mm Hidráulico (generado por un compresor accionado por un motor diésel o eléctrico,

para el gobierno del motor de rotación y para producir el movimiento alternativo del pistón, un motor actúa sobre un grupo de bombas que suministran un caudal de aceite que acciona aquellos componentes.

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Figura 6. Sección de un martillo hidráulico (Atlas Copco).

1.2.3. PERFORADORAS MARTILLO EN FONDO

La percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno. El accionamiento del pistón se lleva a cabo neumáticamente, mientras que la rotación puede ser neumática o hidráulica.

En la actualidad, en obras de superficie este método de perforación está indicado para rocas duras y diámetros superiores a los 150 mm, en competencia con la rotación, debido al fuerte desarrollo de los equipos hidráulicos con martillo en cabeza.

Figura 7. Esquema de los componentes de un carro perforador con martillo en fondo.

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El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistón golpea directamente a la boca de perforación. El fluido de accionamiento es aire comprimido que se suministra a través de un tubo que constituye el soporte y hace girar al martillo. La rotación es efectuada por un simple motor neumático o hidráulico montado en el carro situado en superficie, lo mismo que el sistema de avance. La limpieza del detrito se efectúa por el escape del aire del martillo a través de los orificios de la boca.

Figura 8. Martillo en fondo (Atlas Copco).

1.3. PERFORACION ROTATIVA

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje. Los diámetros habituales de barreno conseguidos con este tipo de perforadoras oscilan entre 50 y 311 mm, estando los mayores diámetros especialmente indicados para los grandes volúmenes de excavación.

Este sistema consta de una fuente de energía, una columna de barras o tubos individuales o conectados en serie, que transmiten el peso, la rotación y el aire de barrido a una boca con dientes de acero o de insertos de carburo de tungsteno que deben fragmentar la roca. De este modo, se puede distinguir la perforación con tricono y la perforación con útiles de corte. El primer sistema se aplica a rocas de dureza media a alta y el segundo a rocas blandas.

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Figura 9. a) Sistema de perforación rotativa, b) tricono atlas copco (perforación rotativa con triconos); c) Trialeta (perforación rotativa por corte)

1.3.1. TRICONOS

En un principio, sólo eran aplicables en formaciones rocosas blandas o de poca resistencia, pero, en la actualidad, estos útiles han permitido a la perforación rotativa competir con otros métodos empleados en rocas duras.

El trabajo de un tricono se basa en la combinación de dos acciones:Indentación

Los dientes o insertos del tricono penetran en la roca debido al empuje sobre la boca. Este mecanismo equivale a la trituración de la roca.

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Corte

Los fragmentos de roca se forman debido al movimiento lateral de desgarre de los conos al girar sobre el fondo del barreno.

La acción de corte sólo se produce, como tal, en rocas blandas, ya que en realidad es una compleja combinación de trituración y cizalladura debido al movimiento del tricono.

A. TIPOS DE TRICONOS

Existen dos tipos de triconos: De dientes. De insertos.

Los triconos de dientes tienen la ventaja de su bajo coste, pues valen la quinta parte que uno de insertos.

Triconos de dientes

TABLA 2. CLASIFICACION GENERAL DE TRICONOS DE DIENTES

En la selección del tipo de tricono influye fundamentalmente la resistencia a compresión de la roca y su dureza. Normalmente, los usuarios envían muestras a las compañías fabricantes de triconos para que asesoren sobre el tipo de boca a utilizar, velocidades de penetración probables y duración en metros.

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Para formación

blanda

Para formació

nmedia

Para formación dura

+

Figura 10.Triconos de dientes para cada formación de roca (Hughes Tool Co)

Triconos de insertos

Existen cuatro tipos de triconos, que se diferencian en el diseño y tamaño de los insertos, en el espaciamiento de los mismos y en la acción de corte. Fig. 11.

taller Página 11

Figura 11. Clases de insertos según los tipos de triconos.

a b c d

Figura 12.a, b, c y d: Triconos de insertos (Hughes Tool Co)

TABLA 3. CLASIFICACION GENERAL DE TRICONOS DE INSERTOS

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1.3.2. PERFORACION POR CORTE

La perforación por corte en los barrenos de producción se realiza con bocas cuya estructura dispone de elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos policristalinos, que varían en su forma y ángulo, pudiéndose distinguir los siguientes tipos:

Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm. Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm. Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de

corte escalonado en diámetros desde 150 mm hasta 400 mm.

taller Página 13

a b

cd

e

Figura 13. Tipos de bocas para perforación por corte. a), b) bocas bilabiales; c), d) bocas trialetas y multiples; e) boca escariadora

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IV. Ubicación de la zona

La práctica a ha sido realizada en un tramo de la carretera Cajamarca – Cumbe

Mayo perteneciente al barrio Lucmacucho – Sector 16, donde se tomó las

coordenadas GPS:

Este: 783078

Norte: 9207287

Cota: 2847m.s.n.m

V. Descripción de la roca

La roca en la que se realizó la perforación es una roca ígnea, volcánica,

piroclástica, llamada toba; que pertenece al volcánico Huambo, que se

depositó a partir de un vulcanismo explosivo en el Mioceno Superior hace 8

MA. Cuyas características petrográficas se describen a continuación:

CARACTERÍSTICA DESCRIPCIÓN

COLOR DE ROCA FRESCA Gris Blanquecina

TEXTURA Afanítica con fenocristales

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DUREZA 3 en la escala de Mohs

TENACIDAD Frágil

DENSIDAD 2.5 g/cm3

RESISTENCIA Roca blanda

COMPOSICIÓN Ceniza Volcánica + piroclastos

CLASIFICACIÓN QUÍMICA Intermedia

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NOMBRE PETROGRÁFICO Toba traquítica

VI. Metodología de trabajoVI.1 Materiales

Cincel

Comba

GPS

Cámara digital

Cronómetro

Lupa de 20x.

Regla

Libreta de apuntes

VI.2 ProcedimientoUna vez determinada la zona de estudio (coordenadas GPS) y caracterizada la roca a perforar, se procedió a realizar las respectivas perforaciones (una cada integrante del grupo), para ello se empleó la comba y un cincel previamente marcado cada 5 cm controlando, con un cronometro, el tiempo en que demoraba en perforar dicha profundidad (cada 5cm hasta los 20 cm), además de contar el número de golpes realizados por e perforista, ello a fin de facilitar los cálculos en gabinete.

VI.3 Datos y Calculos

Los datos tomando en campo son de profundidad (en cm), tiempo (segundos) y

numero de golpes; para razones de cálculo y como la práctica nos pide en horas y

metros, se procedió a convertir dichos datos.

La tabla 01 muestra los datos de cada una de las perforaciones indicando la

profundidad y el tiempo en que se realizó la misma, para luego determinar un

promedio de tiempo y con ello (profundidad y promedio de tiempo) realizar un

gráfico.

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PROFUNDIDAD (m)

TIEMPO (horas)PERF. 01 PERF. 02 PERF. 03 PERF. 04 PERF. 05 PERF. 06 PROMEDIO

0.00 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.000000.05 0.00528 0.00611 0.00556 0.00472 0.00417 0.00611 0.005320.10 0.01222 0.01028 0.01167 0.01278 0.01194 0.01361 0.012080.15 0.02222 0.02139 0.02000 0.02333 0.02278 0.02417 0.022310.20 0.03500 0.03333 0.03361 0.03444 0.03472 0.03528 0.03440

La grafica muestra como a medida avanza el tiempo la perforación de una determinada

profundidad va aumentando el tiempo que demora la misma, ello debido a que la persona se va

cansando y además a que a mayor profundidad la roca ofrece mayor resistencia a ser perforada.

Como poseemos los datos de profundidad y tiempo, podemos determinar la velocidad de

perforación con la formula velocidad=profundidad (m)

ti empo (h) lo cual se plasma en la tabla 02.

PROFUNDIDAD(m)

VELOCIDAD (m/h)

PERF. 01 PERF. 02PERF. 03 PERF. 04 PERF. 05 PERF. 06 PROMEDIO

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00000.0500 9.4737 8.1818 9.0000 10.5882 12.0000 8.1818 9.57090.1000 8.1818 9.7297 8.5714 7.8261 8.3721 7.3469 8.33800.1500 6.7500 7.0130 7.5000 6.4286 6.5854 6.2069 6.74730.2000 5.7143 6.0000 5.9504 5.8065 5.7600 5.6693 5.8167

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0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.250.00000

0.00500

0.01000

0.01500

0.02000

0.02500

0.03000

0.03500

0.04000

GRAFICO 01: Profundidad vs Tiempo

PROFUNDIDAD (m)

TIEM

PO (h

oras

)

0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.220

2

4

6

8

10

12

GRAFICA 02: PROFUNDIDAD VS VELOCIDAD

Profundidad (m)

Velo

cidad

(m/h

)

La velocidad va disminuyendo conforme la profundidad aumenta ello debido a que la roca ofrece

mayor resistencia ser perforada a mayor profundidad.

0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300 0.0350 0.04000

2

4

6

8

10

12

GRAFICA 03: TIEMPO VS VELOCIDAD

TIEMPO (horas)

VELO

CIDA

D (m

/h)

La grafica 03 nos muestra como la velocidad disminuye a medida que el tiempo avanza.

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La tabla 03 nos muestra el otro dato tomado en campo el cual es el número de golpes dados para

perforar una determinada profundidad.

PROFUNDIDAD (m)

NÚMERO DE GOLPESPERF. 01 PERF. 02 PERF. 03 PERF. 04 PERF. 05 PERF. 06 PROMEDIO

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.05 30.00 28.00 31.00 25.00 28.00 32.00 29.000.10 71.00 69.00 73.00 65.00 70.00 73.00 70.170.15 126.00 124.00 130.00 127.00 128.00 130.00 127.500.20 180.00 173.00 174.00 177.00 178.00 180.00 177.00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.250.00

20.0040.0060.0080.00

100.00120.00140.00160.00180.00200.00

GRAFICO 04: PROFUNDIDAD VS NUMERO DE GOLPES

profundidad (m)

num

ero

de g

olpe

s

Con los datos de promedio de tiempos y número de golpes podemos determinar la frecuencia de

perforación; es decir, el número de golpes realizados en una hora, ello mediante la fórmula:

Frecuencia=numero de golpestiempo (h)

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Tiempo (h) Numero de golpes Frecuencia0 0.00 0.00

0.00532407 29.00 5446.956520.01208333 70.17 5806.896550.02231481 127.50 5713.692950.03439815 177.00 5145.62584

IV. CONCLUSIONES

El trabajo de investigación se realizó en rocas volcánicas piroclásticas

denominadas tobas.

El tiempo promedio en perforar 20 cm de profundidad en rocas tobas fue de

0.03440 horas.

Se ha observado la velocidad de perforación va disminuyendo conforme

avanza el tiempo.

Se pudo apreciar que mientras mayor sea la profundidad de la perforación,

el número de golpes necesarios para realizar la perforación de una

determinada distancia va aumentando, ello debido a que la roca va

ofreciendo mayor resistencia a mayores profundidades.

Se obtiene un mayor rendimiento cuando la fuerza ejercida es mayor.

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